Новое решение старой загадки: почему внутренняя часть Солнечной системы не вращается так быстро, как требуют законы физики

Внутреннее кольцо Солнечной системы содержит тонкие слои газа и пыли, известные как аккреционные диски. Они вращаются вокруг молодых звезд, постепенно уменьшая радиус вращения. Когда движение идет по спирали, то согласно физическому закону сохранения момента импульса (закону сохранения углового момента) внутренняя часть диска должна вращаться быстрее. Например, когда в фигурном катании выполняются пируэты, то фигурист вращается быстрее, когда его руки находятся вдоль тела, а не вытянуты в стороны.

Что касается аккреционных дисков, то астрономические наблюдения действительно показали, что внутренняя часть диска вращается быстрее. Но при этом она движется не так быстро, как предполагалось.

Исследователи выдвинули множество возможных объяснений такого поведения: причина могла таиться в трении между внутренней и внешней вращающимися частями аккреционного диска или магнитных полях, создающих «магнитовращательную нестабильность», из-за которой наблюдаются газовая и магнитная турбулентности, замедляющие скорость вращения внутренней спирали. 

Ни одно из этих объяснений не удовлетворило физиков из Калифорнийского технологического института (Caltech), Дело в том, что расчеты показывают: внутреннее трение в аккреционных дисках незначительно, как и турбулентность.

Ученые проанализировали траектории отдельных атомов, электронов и ионов в газе, из которого состоит диск, чтобы увидеть, как частицы ведут себя при столкновении и как они двигаются между столкновениями. Исследование вышло в Astrophysical Journal.

В моделировании ученые задействовали около 40 000 нейтральных и примерно 1000 заряженных частиц, которые могут сталкиваться друг с другом, а также они смоделировали гравитацию и магнетизм. В целом, получилось отразить все основные особенности аккреционных дисков. 

Моделирование продемонстрировало, что из-за столкновений между нейтральными и заряженными частицами положительно заряженные ионы будут перемещаться внутрь по спиралевидной траектории, а отрицательно заряженные — наружу. Анализ такого поведения показал, что угловой момент не сохраняется, но сохраняется сила, называемая каноническим угловым моментом.

Канонический угловой момент складывается из исходного обычного углового момента и дополнительной величины, зависящей от заряда частицы и магнитного поля. Тогда как на нейтральные частицы эти силы не влияют, на заряженные они способны заметно воздействовать. Разница в заряде увеличивает импульс как положительных, так и отрицательных частиц, увеличивает их канонический угловой момент, при этом нейтральные частицы теряют угловой момент и движутся вовнутрь.

Это небольшое различие имеет огромный волновой эффект в масштабе Солнечной системы: только одна частица из миллиарда должна быть заряжена, чтобы объяснить наблюдаемую потерю углового момента нейтральных частиц.

Такое движение делает диск похожим на гигантскую батарею с положительной клеммой в центре и отрицательной — с краю. Это, в свою очередь, создает огромный электрический поток и питает астрофизические джеты — струи, выбрасываемые с огромными скоростями из ядер активных галактик в обоих направлениях. Джеты наблюдались астрономами уже более века, но ученые никогда не знали механизм их происхождения.